压电陶瓷在桁架结构主动减振中的应用研究

摘要

本文针对桁架结构的减振问题,采用压电陶瓷设计杆式和有复杂传力机构式两种压电堆式阻尼器,并应用这两种阻尼器对直梁式桁架、工型桁架和平台式桁架结构分别进行主动减振和分流式减振。对直梁式桁架和工型桁架的减振主要以验证减振效果为目的,对平台式桁架则提出以对有效载荷振动位移最小为减振目标。主动式减振应用LQR法和模糊控制两种方法,分流式减振采用电阻式压电堆分流电路。仿真结果表明:与LQR法相比,模糊控制方法更依赖于精确模型,其智能性更高,更适合于模型不精确的大型结构,达到减振精度所需要的时间更短;主动控制需要设计控制器,而分流压电堆式阻尼器只需外接电阻等简单电路元件即可,这在实际应用时前景颇佳;两种阻尼器均既可用于主动式减振,又可用于分流式减振,但是有复杂传力机构的阻尼器不适用于直接替换桁架杆件,而杆式阻尼器不适用于弯矩不可忽略的结构,两种阻尼器使用场合不同。
　　本文的主要内容如下:
　　首先,根据压电材料的本构方程推导出压电堆的机电耦合方程,根据此方程采用PZT材料作为压电堆材料,设计杆式压电阻尼器和复杂传力机构压电堆式阻尼器,并根据模型分别建立二者在桁架结构系统坐标系下的动力学方程。
　　其次,建立直梁、工型、平台式三种桁架结构,并对三者的模态、频响动力学特性进行仿真分析。分析结果表明大型桁架主要呈现低频、重频、密集模态特性,而且有智能杆的桁架结构与无智能杆的桁架结构动力学特性略有不同,这在实际应用中要给予充分考虑,但是本文以验证减振效果为目的,因此不考虑此差异性。
　　再次,首先应用LQR法,以指定目标点的位移最小为减振指标,采用遗传算法优化10个杆式压电阻尼器的位置,对直梁式桁架和工型桁架进行最优主动减振控制。然后采用独立模态法,应用Fuzzy-PID控制法对直梁式桁架和平台式桁架进行主动振动控制。结果表明,模糊控制达到减振精度的时间更短。
　　最后,采用具有复杂传力机构的阻尼器对平台式桁架结构进行压电堆分流减振控制,将压电阻尼转化为等效的结构阻尼加到结构上,取有效载荷中心点为观测点,仿真其有阻尼和自由振动时的幅频特性、简谐激励下的振动及脉冲响应。结果表明减振效果良好。

目录

压电陶瓷在桁架结构主动减振中的应用研究

Application Research of Piezoceramic in Truss Acitve Vibration Control

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 压电材料的发展及应用现状分析

1.3 航天用挠性空间桁架结构简介

1.4 采用压电材料的振动主动控制研究现状

1.5 本文主要内容

第2章 压电阻尼器设计

2.1 压电陶瓷智能结构动力学

2.2 杆式压电阻尼器设计与建模

2.3 复杂传力机构压电阻尼器设计与分析

2.4 桁架系统动力学方程

2.5 本章小结

第3章 桁架力学特性分析

3.1 三维桁架有限元模型

3.2 构型简单的桁架分析

3.3 复杂空间桁架的有限元分析

3.4 本章小结

第4章 主动振动控制

4.1 LQR控制

4.2 模糊PID控制

4.3 本章小结

第5章 分支电路压电阻尼法

5.1 分流阻尼器原理分析

5.2 分流阻尼器参数优化

5.3 仿真分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

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致谢